Tổng quan vềlaser
Vì tr ong thực tếánh sáng dao động tới lui trong hộp laser, nên hiện tượng
cộng hưởng trởthành một nhân tố ảnh hưởng tới việc khuếch đại cường độ laser .
Phụthuộc vào bước sóng của bức xạcưỡng bức và chiều dài hộp, sóng phản xạtừ
các gương sẽhoặc là giao thoa tăng cường và được khuếch đại mạnh, hoặc là giao
thoa triệt tiêu và xóa bỏhoạtđộng laser . Vì các sóng trong hộp là kết hợp hoàn
toàn cùng pha, chũng sẽvẫn là cùng pha khi phản xạtừmột gương. Các sóng cũng
sẽcùng pha khi chạm tới gương đối diện, vớiđiều kiện là chiều dài hộp bằng một
sốnguyên lần bước sóng. Nhưvậy, sau khi thực hiện một dao động hoàn chỉnh
tr ong hộp, sóng ánh sáng đã truyềnđược quãng đường bằng hai lần chiều dài hộp.
Nếu khoảng cách đó là một bội sốnguyên của bước sóng, thì các sóng sẽtăng thêm
biên độ bởi sựgiao thoa tăng cường. Khi chiều dài hộp không chính xác là bội số
nguyên của bước sóng, giao thoa triệt tiêu sẽxảy ra, phá hủy hoạtđộng laser.
Phương tr ình sau đây xác định điều kiện cộng hưởng phải có để sựkhuếch đại
mạnh xảy r a trong hộp laser:
N x l = 2 x (chiều dài hộp)
tr ong đó N là một sốnguyên, và l là bước sóng. Điều kiện cộng hưởng thật ra
không quan trọng vì những sựchuyển tr ạng thái laser thực tếtr ong hộp phân bổ
tr ong một phạm vi bước sóng, gọi là dải thông độ lợi. Bước sóng của ánh sáng cực
kì nhỏso với chiều dài của một hộp laser điển hình, và nói chung một quãng đường
tr uyền hoàn chỉnh trong hộp sẽtương đương với vài trăm ngàn bước sóng ánh
sáng được khuếch đại. Cộng hưởng có thểxảy r a ởmỗi sốgia bước sóng nguyên
(ví dụ200 000, 200 001, 200 002,...), và do bước sóng tương ứng r ất gần nhau,
chúng rơi tr ong dải thông độ lợi của laser. Hình 7 minh họa một ví dụ điển hình,
tr ong đó một vài giá trịcộng hưởng của N, thường được gọi là mode dọc của laser ,
vừa khít trong dải thông độ lợi.
Hình 7. Mode cộng hưởng hộp và dải thông độ lợi
Các chùm laser có những đặcđiểm chung nhấtđịnh, nhưng cũng khác nhau
ởmứcđộ rộng các khía cạnh nhưkích thước, sựphân kì, và sựphân bốánh sáng
qua đường kính chùm tia. Những đặcđiểm này phụthuộc nhiều vào việc thiết kế
hộp laser (hộp cộng hưởng), và hệthống quang họcđiều khiển chùm tia, cảbên
tr ong lẫn bên ngoài hộp. Mặc dù laser có thểtạo r a mộtđốm sáng không đổi khi
chiếu lên một bềmặt, nhưng nếuđo cường độ sáng tại những điểm khác nhau
tr ong tiết diện ngang của chùm, thì sẽthấy sựkhác nhau vềcường độ. Việc thiết kế
hộp cộng hưởng cũng ảnh hưởng tớiđộ phân kì chùm tia, số đo mứcđộ tr ải r ộng
của chùm tia khi khoảng cách tới laser tăng lên. Góc phân kì của chùm tia là một
nhân tốquan trọng trong việc tính toán đường kính của chùm tia tại một khoảng
cách cho trước.
Tr ong nhiều phần thảo luận trước, chúng ta đã giả định các gương tại hai
đầu của hộp cộng hưởng laser là gương hai chiều, hay gương phẳng. Vềmặt khái
niệm thì đây là một cấu hình đơn giản nhất, nhưng trong thực tếnó có thểrất khó
được thực hiện. Nếu hai gương không thẳng hàng chính xác với nhau, thì sựmất
ánh sáng dưthừa sẽxảy ra, làm cho laser ngừng hoạtđộng. Ngay cảkhi sựkhông
thẳng hàng chỉ ở mứcđộ nhỏ, sau một vài phản xạliên tiếp, kết quảcó thểlà sự
thất thoát đáng kểánh sáng từcác mặt của hộp. Nếu một hoặc cảhai gương có bề
mặt cầu, thì sựthất thoát ánh sáng do sựkhông thẳng hàng có thểgiảm bớt hoặc bị
loại trừ. Do tính hội tụcủa gương cầu, ánh sáng bịgiới hạn trong hộp ngay cảkhi
các gương không chính xác thẳng hàng với nhau, hoặc nếu ánh sáng không được
phát ra chính xác dọc theo trục của hộp. Có một sốbiến tấu thiết kếsửdụng kết
hợp cảgương phẳng và gương cầuđể đảm bảo ánh sáng luôn luôn hội tụtrởlại
phía gương đối diện. Một cấu hình thuộc loại này có tên là hộp cộng hưởng bền, do
ánh sáng phản xạtừmột gương đi tới gương kia sẽtiếp tục dao động mãi mãi nếu
nhưkhông có ánh sáng nào bịthất thoát.
Tr ong môi trường laser có độ lợi thấp, hộp cộng hưởng rất quan trọng tr ong
việc tốiđa hóa việc sửdụng bức xạcưỡng bức. Tr ong laser độ lợi cao, sựmất mát
mức thấp từcác mặt của hộp không có tính quyếtđịnh. Thật r a, các thiết kếhộp
cộng hưởng không bền có thể đượcưa chuộng hơn vì chúng thường dễthu năng
lượng từmột thểtích lớn hơn trong môi tr ường laser, mặc dù chúng cho phép ánh
sáng thất thoát. Các gương trong laser độ lợi cao thường thường trong suốt hơn
các gương tr ong laser có độ lợi thấp hơn, cho nên một tia sáng cho trước chỉcó thể
tr uyền một lần qua hộp trước khi xuất hiện trong chùm tia. Do đó, sựsắp thẳng
hàng của các gương không có tính quyếtđịnh nhưtrong laser độ lợi thấp, nơi mà
hệsốphản xạcủa gương r a làm cho ánh sáng phản xạnhiều lần tr ước khi xuất
hiện ra ngoài.
Chiều dài hộp laser và bước sóng ánh sáng tác động lẫn nhau để tạo ra mode
dọc của sựphân bốnăng lượng trong chùm tia, còn thiết kếhộp cộng hưởng là một
nhân tốthen chốt trong việc xác định sựphân bốcường độ theo chiều rộng của
chùm tia, và tỉlệmà chùm tia phân kì. Cường độ cắt ngang chùm tia được xác định
bằng mode ngang của chùm. Những phân bốcó khảnăng trong cường độ chùm tia
được giới hạn bởi cái gọi là các điều kiện biên nhấtđịnh, nhưng thường thì một
chùm tia biểu hiện một, hai, hoặc hơn hai đỉnh ởgiữa, với cường độ không ởcác
rìa ngoài. Các mode khác nhau này được gọi là mode TEM(mn), viết tắt của các từ
mode ngang (Tranverse), mode điện (Electr ic) và mode từ(Magnetic), trong đó m
và n là các sốnguyên. Các sốnguyên cho biết sốcực tiểu, hay số điểm cường độ
bằng không, giữa các rìa của chùm theo hai hướng vuông góc nhau (m cho mode E
và n cho mode M).
Một chùm laser điển hình sáng nhất tại trung tâm và giảm dần cường độ về
phía ngoài r ìa. Đây là mode bậc nhấtđơn giản nhất, kí hiệu là TEM(00) và có cường
độ cắt ngang chùm tuân theo hàm Gauss. Hình 8 minh họa một vài trong sốnhiều
mode TEM(mn) khảdĩ. Mặc dù một sốlaser hộp cộng hưởng bền, đặc biệt là
những laser được thiết kếcho công suất ra cựcđại, hoạtđộng ởmột hoặc nhiều
mode bậc cao, nhưng người ta thường muốn loại bỏnhững dao động này. Mode
bậc nhất có thểthu được dễdàng tr ong các laser độ lợi thấp hộp cộng hưởng bền,
và là mode đượcưa chuộng vì chùm tia trải rộng do sựnhiễu xạcó thểtiếnđến
một giá trịcực tiểu lí thuyết.
Hình 8. Mode ngang của chùm laser
Nhiễu xạ đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định kích thước của
đốm laser có thểchiếu tới một khoảng cách cho trước. Dao động của chùm tia
tr ong hộp cộng hưởng tạo ra một chùm hẹp sau đó phân kì ởmột sốgóc phụthuộc
vào thiết kếhộp cộng hưởng, kích thước của lỗhởra, và gây ra các hiệuứng nhiễu
xạtr ên chùm tia. Sựnhiễu xạthường được mô tảlà hiệuứng tr ải r ộng chùm tia,
hình thành nên các vòng nhiễu xạ(gọi là vòng Air y) bao quanh chùm tia khi sóng
ánh sáng tr uyền qua một lỗnhỏ. Hiện tượng nhiễu xạnày đặt r a giới hạn về đường
kính tối thiểu củađốm sáng sau khi tr uyền qua một hệquang học. Đối với laser,
chùm trải rộng từgương r a có thể được xem là qua một lỗnhỏ, và hiệuứng nhiễu
xạtr ên chùm tia do gương gây ra sẽgiới hạnđộ phân kì tối thiểu và kích thước
đốm sáng của chùm. Đối với các chùm mode TEM(00), nhiễu xạthường là nhân tố